第六章

動(dòng)力機(jī)械基礎(chǔ)設(shè)計(jì)第一節(jié)概述一、動(dòng)力機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生較大不平衡慣性力的機(jī)械。動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)與其他結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)的主要區(qū)別，在于基礎(chǔ)上部作用有由機(jī)器傳來的動(dòng)力(一般稱擾力)，這種動(dòng)力可以是瞬態(tài)的沖擊(如鍛錘或落錘基礎(chǔ))，也可以是穩(wěn)態(tài)的正弦波激勵(lì)。這種激勵(lì)會(huì)引起基礎(chǔ)本身的振動(dòng)，甚至影響到周圍建筑物的振動(dòng)。我國(guó)目前的規(guī)范，對(duì)某些機(jī)器的基礎(chǔ)不考慮動(dòng)力效應(yīng)，即將動(dòng)力荷載轉(zhuǎn)換為等效的靜荷載，不再予以動(dòng)力計(jì)算，如一般的機(jī)床等。動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和建造是建筑工程中一項(xiàng)復(fù)雜的課題，其特點(diǎn)首先取決于機(jī)器對(duì)基礎(chǔ)的作用特征。在機(jī)器基礎(chǔ)中，動(dòng)荷載在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)重復(fù)作用，除了確定機(jī)器一基礎(chǔ)一土系統(tǒng)的自振頻率外，機(jī)器在工作時(shí)的振幅是機(jī)器設(shè)計(jì)時(shí)要決定的最重要的參數(shù)。目前規(guī)范規(guī)定的需要進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算的基礎(chǔ)，其設(shè)計(jì)要求是使基礎(chǔ)由于動(dòng)荷載而引起的振動(dòng)幅值，不超過某一極限值，即規(guī)范所規(guī)定的最大允許值。這個(gè)限值主要取決于：保證機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，以及由于基礎(chǔ)振動(dòng)波通過土體的傳播，對(duì)附近的人員、儀器設(shè)備及建筑物不產(chǎn)生有害的影響。二、動(dòng)力機(jī)器的分類1．周期性作用的機(jī)械（1）往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械：活塞式壓縮機(jī)、柴油機(jī)及破碎機(jī)等平衡性差振幅大引起臨近建筑共振

分析這類機(jī)器基礎(chǔ)時(shí)，不平衡力可按正弦波變化

活塞式壓縮機(jī)活塞式液化氣壓縮機(jī)柴油機(jī)柴油機(jī)（2）旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械：電機(jī)、汽輪機(jī)組、風(fēng)機(jī)等平衡性好振幅小頻率高汽輪發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)－核電站2．間歇性作用或沖擊作用的機(jī)械：鍛錘、落錘等，工作速度通常為每分鐘60～150錘，動(dòng)荷載在很短時(shí)間內(nèi)達(dá)到其峰值，然后消失。沖擊力大無節(jié)奏自由鍛錘自由鍛錘模鍛錘模鍛錘三、動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的分類1、實(shí)體式：為剛度很大的鋼筋混凝土塊體基礎(chǔ)，應(yīng)用最廣。此類基礎(chǔ)本身剛度大，振動(dòng)主要由地基彈性變形引起，所以基礎(chǔ)被看做剛體，振動(dòng)幅值主要由地基的剛度(地基基床系數(shù))所控制。在設(shè)計(jì)時(shí)，地基剛度系數(shù)確定的正確與否，對(duì)基礎(chǔ)的振動(dòng)影響很大。因?yàn)樗脑O(shè)計(jì)、施工都較簡(jiǎn)便，適合于多種機(jī)器基礎(chǔ)。曲柄連桿類(活塞式壓縮機(jī)等)、旋轉(zhuǎn)式(汽輪機(jī)，發(fā)電機(jī)等)機(jī)器、滾筒式(磨機(jī)，回轉(zhuǎn)窯等)機(jī)器、沖擊(鍛錘，落錘等)機(jī)器等?？蚣苁交A(chǔ)由底板、柱子和頂板(包括頂板、縱橫梁)系統(tǒng)構(gòu)成。汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等機(jī)器常用這種形式，柱子之間的空間為附屬設(shè)備等利用。2、框架式(構(gòu)架)基礎(chǔ)框架式基礎(chǔ)的振動(dòng)由兩部分組成一是地基彈性變形引起的振動(dòng)；二是基礎(chǔ)本身構(gòu)架(板、梁、桿系統(tǒng))變形引起的振動(dòng)。因此在設(shè)計(jì)時(shí)不僅要控制地基的剛度，還需要使框架有合理的剛度。墻式基礎(chǔ)以橫墻代替框架式基礎(chǔ)的橫向框架，因而剛度較框架式基礎(chǔ)為大。例如破碎機(jī)基礎(chǔ)多采用墻式(在動(dòng)力計(jì)算中有時(shí)可按實(shí)體式)，兩墻之間的空間設(shè)置運(yùn)輸皮帶或漏斗，以運(yùn)走破碎后的礦石。3、墻式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)此類基礎(chǔ)時(shí)，如墻高不超過墻厚的4倍，可近似地認(rèn)為基礎(chǔ)是剛體，按實(shí)體式基礎(chǔ)計(jì)算；如墻高超過墻厚的4倍時(shí)，則基礎(chǔ)本身剛度不足，變形較大，則應(yīng)按框架式基礎(chǔ)計(jì)算，即同時(shí)考慮地基及基礎(chǔ)的彈性變形?；A(chǔ)中均預(yù)留有安裝和操作機(jī)器所必需的溝槽和孔洞。

四、動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的要求機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)有別于一般房屋基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，在于前者除承受自身及機(jī)器重量等靜載外，還須承受機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)力效應(yīng)。因此在設(shè)計(jì)上，除滿足一般靜力平衡及強(qiáng)度要求外，還具有以下特殊要求：1、保持機(jī)器與基礎(chǔ)的動(dòng)穩(wěn)定，亦即不使機(jī)器與基礎(chǔ)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生共振現(xiàn)象。這一點(diǎn)可以通過計(jì)算基礎(chǔ)的自振頻率來控制。2、不使地面振動(dòng)傳播太廣，以致影響鄰近環(huán)境。這一點(diǎn)可以通過計(jì)算地面振幅并采取隔振措施來控制。3、不使基礎(chǔ)自身的振幅超過機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)所容許的振幅。這一點(diǎn)可以通過計(jì)算基礎(chǔ)振幅來控制。4、對(duì)某些精密機(jī)器，還必須通過隔振措施以保證外界振動(dòng)不干擾機(jī)器的正常工作。因此，設(shè)計(jì)機(jī)器基礎(chǔ)時(shí)，除對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行靜載下的設(shè)計(jì)外，還須對(duì)基礎(chǔ)在動(dòng)力效應(yīng)下的反應(yīng)進(jìn)行分析。第二節(jié)振動(dòng)對(duì)地基的影響

及機(jī)械基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)步驟一、振動(dòng)對(duì)地基的影響1、振動(dòng)對(duì)土性質(zhì)的影響（1)振動(dòng)對(duì)土抗剪強(qiáng)度的影響振動(dòng)越強(qiáng)烈土的抗剪強(qiáng)度降低越多。隨著粘聚力的增加，振動(dòng)對(duì)土的力學(xué)性質(zhì)的影響減小，但振動(dòng)對(duì)靈敏度較高的土影響較大。不同頻率下干砂的內(nèi)摩擦角與的振幅關(guān)系曲線干砂的內(nèi)摩擦角隨振幅的增大而減小干砂的內(nèi)摩擦角隨頻率的增大而減小不同頻率下干砂的振幅加速度與內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線干砂的內(nèi)摩擦角隨振動(dòng)加速度的增大而減小粘性土的振幅加速度與抗剪強(qiáng)度比的關(guān)系曲線粘性土的抗剪強(qiáng)度隨振動(dòng)加速度的增大而減?。?)振動(dòng)對(duì)土壓縮的影響隨著法向壓力的增大，土的振動(dòng)壓密程度減小。地基沉降比只有靜載作用時(shí)大：增加了振動(dòng)附加沉降。附加沉降產(chǎn)生的條件：振動(dòng)加速度大于0.2g～0.3g。附加沉降隨振動(dòng)加速度的增大而增大。2、振動(dòng)作用下地基的承載力在靜載下地基承載力或單樁承載力特征值基礎(chǔ)上乘以動(dòng)力折減系數(shù)，即：式中：－動(dòng)力折減系數(shù)，對(duì)曲柄連桿機(jī)器，；對(duì)汽輪機(jī)組與電機(jī)，；對(duì)鍛錘：式中：－土的動(dòng)沉陷影響系數(shù)，對(duì)一類土取1.0，對(duì)二類土取1.3，對(duì)三類土取2.0，對(duì)四類土取3.0。二、動(dòng)力機(jī)械基礎(chǔ)設(shè)計(jì)步驟1、收集設(shè)計(jì)技術(shù)資料2、確定地基動(dòng)力參數(shù)3、選擇地基方案4、確定基礎(chǔ)類型和材料5、確定基礎(chǔ)埋深和基礎(chǔ)尺寸6、校核地基承載力7、進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算第三節(jié)地基的動(dòng)力參數(shù)1、基礎(chǔ)的豎向振動(dòng)參數(shù)－抗壓剛度

一、天然地基的動(dòng)力參數(shù)式中：Kz—抗壓剛度（基礎(chǔ)豎向產(chǎn)生單位位移所需要的力），（kN/m）；

A—基礎(chǔ)底面積（m2）；Cz—抗壓剛度系數(shù)（kN/m3），可按表6-3選用，當(dāng)A＜20m2，表中數(shù)值乘以進(jìn)行修正。表6-3圖6-32、基礎(chǔ)的水平回轉(zhuǎn)耦合振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)參數(shù)－抗剪剛度、抗彎剛度、抗扭剛度（1）抗剪剛度

式中：Kx—抗剪剛度（基礎(chǔ)水平方向產(chǎn)生單位位移所需要的力），（kN/m）；

Cx—抗剪剛度系數(shù)（kN/m3）。（2）抗彎剛度

式中：Kφ—抗彎剛度（基礎(chǔ)繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生單位轉(zhuǎn)角所需要的力矩），（kNm）；

Cφ—抗彎剛度系數(shù)（kN/m3）；

I—截面抗彎慣性矩（m4）。（3）抗扭剛度式中：Kψ—抗扭剛度（基礎(chǔ)繞豎軸轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生單位轉(zhuǎn)角所需要的力矩），（kNm）；

Cψ—抗扭剛度系數(shù)（kN/m3）；

J—截面抗扭慣性矩（m4）。二、樁基的動(dòng)力參數(shù)

1、樁基的當(dāng)量質(zhì)量（樁和土參與振動(dòng)）

式中：mz—樁基的當(dāng)量質(zhì)量（樁和土參與振動(dòng)的質(zhì)量），（t）；

l、b—承臺(tái)的長(zhǎng)度、寬度（m）；lt—折算長(zhǎng)度，當(dāng)樁長(zhǎng)lh≤10m，lt＝1.8m；當(dāng)樁長(zhǎng)lh≥15m，lt＝2.4m；當(dāng)樁長(zhǎng)lh=10～15m，lt＝1.8+0.12(lh-10)m；γ—土和樁的平均重度（KN/m3），地下水位以上取20KN/m3

，地下水位以下取10KN/m3

；g—重力加速度（m/s2）。2、單樁的抗壓剛度

式中：Cτhi—樁周第i層土的當(dāng)量抗剪剛度系數(shù)（kN/m3），查表6-4；Fτhi—與第i層土相應(yīng)的樁側(cè)表面積（m2）；Czh—樁端平面處土的當(dāng)量抗壓剛度系數(shù)（kN/m3），查表6-5；Fzh—樁的橫截面面積（m2）。3、樁基的抗壓剛度

式中：nh—樁數(shù)。鍛錘是典型產(chǎn)生沖擊擾力的機(jī)器,這里以鍛錘基礎(chǔ)為例討論沖擊力作用下的機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。一、分類按鍛錘的使用功能可以分為：1、模鍛錘：模鍛為了保持落錘與砧座的嚴(yán)格對(duì)中，對(duì)落錘起導(dǎo)向作用的機(jī)架必須同砧座固定為一整體。2、自由鍛錘：自由鍛無上述要求，所以機(jī)器固定在基礎(chǔ)上，而砧座則獨(dú)立地放置。鍛錘在砧座和基礎(chǔ)之間都有緩沖墊以起緩沖作用。第四節(jié)鍛錘基礎(chǔ)設(shè)計(jì)圖6-8二、鍛錘基礎(chǔ)的質(zhì)量分布從振動(dòng)分析的角度來看，鍛錘及其基礎(chǔ)可以分為以下幾個(gè)部件：落錘、砧座、機(jī)架、基礎(chǔ)、緩沖墊。

（一）鍛錘基礎(chǔ)的形式1、鍛錘基礎(chǔ)可采用梯形或臺(tái)階式的整體大塊式基礎(chǔ)。5t及以下的鍛錘且在較軟弱地基中，可采用正圓錐殼基礎(chǔ)，其混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C20。

三、鍛錘基礎(chǔ)的構(gòu)造要求2

、當(dāng)?shù)鼗翞樗念愅痢ⅰ?t的的鍛錘實(shí)體式基礎(chǔ)不宜采用天然地基。設(shè)計(jì)較軟弱地基土上的實(shí)體式鍛錘基礎(chǔ)時(shí)，以底面較大、埋深較淺為宜；設(shè)計(jì)堅(jiān)硬地基土上的實(shí)體式鍛錘基礎(chǔ)時(shí)，以底面較小、埋深較深為宜。（二）基礎(chǔ)尺寸1、高寬比臺(tái)階形和錐形基礎(chǔ)的高寬比H0/b2≥12、錐形基礎(chǔ)邊緣處的最小高度aa≥150～200mm圖6-93、基礎(chǔ)最小厚度H：見表6-7。表6-7（三）墊層1、作用：使砧座傳來的壓力較均勻地作用于基礎(chǔ)上、緩沖錘擊振動(dòng)影響、保護(hù)基礎(chǔ)槽口內(nèi)的混凝土面免受損傷、調(diào)整基礎(chǔ)面和砧座的水平度。2、墊層材料：木（橫放－木材橫紋受壓、豎放）、橡膠。3、墊層厚度：根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算確定。四、設(shè)計(jì)原則1、鍛錘基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)標(biāo)高以砧座頂面標(biāo)高為準(zhǔn)，頂面高出車間地面的高度按工藝要求確定，一般為750mm左右。2、基底形心與錘桿中心線重合。3、鍛錘基礎(chǔ)與廠房基礎(chǔ)分開設(shè)置，最小凈距≥500mm。1、允許振幅（振動(dòng)線位移）：見P185表6-9。2、允許振動(dòng)加速度：見表6-9。五、鍛錘基礎(chǔ)振動(dòng)的控制條件（一）計(jì)算簡(jiǎn)圖六、鍛錘基礎(chǔ)的振動(dòng)計(jì)算錘重砧座重基礎(chǔ)重最大行程圖6-11（二）錘頭最大打擊速度v01、自由落錘（單動(dòng)錘）設(shè)錘頭下落的最大行程為H（m），則：式中：v0—錘頭最大打擊速度；

H—下落部分最大行程（m）。2、雙動(dòng)錘：鍛錘在氣缸中的空氣或蒸汽壓力作用下不僅可以使錘頭回升，而且在錘頭下落時(shí)也起作用。式中：p0—?dú)飧鬃畲筮M(jìn)氣壓力（KN/m2）；

A0—?dú)飧谆钊娣e（m2）；

Wo—錘頭重力（kN）。3、按打擊能量計(jì)算若出廠資料只給出了打擊能量u（kNm），則：（三）體系初始速度v：鍛錘基礎(chǔ)通過錘頭撞擊后，得到的初速度。式中：W—鍛錘基礎(chǔ)總重（基礎(chǔ)與砧座自重之和（kN），W=Wp+W1

；

e—碰撞系數(shù)（m2），對(duì)于模鍛錘，鍛鋼制品時(shí)e=0.5，鍛有色金屬時(shí)e=0；對(duì)于自由鍛錘，e=0.25。（四）鍛錘基礎(chǔ)的振幅、自振圓頻率及振動(dòng)加速度幅值1、鍛錘基礎(chǔ)的振幅Az式中：Az—鍛錘基礎(chǔ)振幅（m）

；kA—振幅調(diào)整系數(shù)，查表6-11確定；表6-11ψe—沖擊回彈影響系數(shù)，對(duì)模鍛錘：當(dāng)模鍛鋼制品時(shí)，當(dāng)模鍛有色金屬制品時(shí)，對(duì)自由鍛錘，取。2、鍛錘基礎(chǔ)的自振圓頻率式中：ωnz—自振圓頻率（rad/s）；

kλ—頻率調(diào)整系數(shù)，查表6-11確定。3、鍛錘基礎(chǔ)的振動(dòng)加速度式中：a—振動(dòng)加速度（m/s2）。（五）墊層總厚度及墊層上砧座振幅計(jì)算1、墊層總厚度式中：d0—墊層總厚度（m）；E1—墊層材料的彈性模量（KN/m2）；A1—砧座底面積（m2）；fc—墊層承壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，按表6-12采用；Wh—對(duì)模鍛為砧座與錘架總重，對(duì)自由鍛為砧座重（KN）。表6-142、砧座振幅式中：Az1—砧座振幅（m），不應(yīng)超過允許振幅（表6-13）。表6-13[例6-1]已知某5t自由鍛錘的錘重W0=5t、打擊能量u=23.6t?m、砧座重Wp=80t、機(jī)身重60t、砧座為邊長(zhǎng)2.5m的正方形。墊層為豎放木墊，木材的強(qiáng)度等級(jí)為TC-17。初步設(shè)計(jì)采用鋼筋混凝土樁基礎(chǔ)，樁數(shù)30根、樁截面邊長(zhǎng)0.4m、樁長(zhǎng)14m，基礎(chǔ)外形尺寸如例圖6-1所示。該樁打穿淤泥層（厚度12m，fak=50kPa、qsa=5kPa）后進(jìn)入粉質(zhì)粘土層（IL=0.2、fak=250kPa、qsa=36kPa、qPa=1600kPa）?；A(chǔ)上的填土重度γ=19kN/m3，土與樁的平均重度γ=20kN/m3。樁周土的當(dāng)量抗剪剛度系數(shù)Cpτ=9000kN/m3，樁端土的當(dāng)量抗壓剛度系數(shù)Cpz=13×105kN/m3。驗(yàn)算基礎(chǔ)的豎向線位移、加速度能否滿足要求？驗(yàn)算單樁豎向承載力能否滿足要求？確定木墊層的厚度；驗(yàn)算砧座的振幅能否滿足要求？(P192)[解](1)求落下部分（錘頭）最大打擊速度v0因出廠資料僅給出了打擊能量u，因此最大打擊速度可由式（6-86）計(jì)算：

(2)機(jī)器及基礎(chǔ)總重力計(jì)算基礎(chǔ)重力：Wg=（8.8×7.5×2+5.5×4.5×2.4-2.7×2.5×2.4）×24=4204.8kN基礎(chǔ)上的填土重力：Ws=（8.8×7.5-5.5×4.5）×2.4×19=1881kN樁及土參加振動(dòng)的當(dāng)量重力：lt=1.8+0.12（lh-10）=1.8+0.12（14-10）=2.28

Wz=ltlbγ

=2.28×8.8×7.5×20=3009.6kN機(jī)座及砧座重力:Wc=（80+60）×9.81=1373.4kN總重力W=Wg+Ws+Wc+Wz

=4204.8+1881+1373.4+3009.6=10468.8kN(3)樁基抗壓剛度計(jì)算樁周面積Apτ=4×0.4×14=22.4m2樁橫截面面積Ap=0.4×0.4=0.16m2；單樁抗壓剛度：=9000×22.4+13×105×0.16=4.096×105kN/m樁基總抗壓剛度：=30×4.096×105=1.229×107kN/m(4)確定豎向振動(dòng)線位移和豎向振動(dòng)加速度控制值規(guī)范規(guī)定對(duì)樁基豎向振動(dòng)線位移和豎向振動(dòng)加速度控制值應(yīng)按樁尖土層的類別選用，因樁尖土層為粉質(zhì)粘土，根據(jù)fak=250kPa，查表6-1可知，該地基土為二類土，豎向振動(dòng)線位移限值為0.8mm，豎向振動(dòng)加速度限值為0.85g。(5)豎向振動(dòng)線位移和豎向振動(dòng)加速度驗(yàn)算對(duì)自由鍛錘，

對(duì)樁基，查表6-11可知：kA=1.0、kλ=1.0，=